Povrsinski napon | SEMINARSKI RAD IZ HEMIJE

Tečnost, ili tečna tela prestavljaju jedno od četiri agregatna stanja . Ona se bitno razlikuje od, po osobinama, čvrstih tela sa jedne, i gasova sa druge strane. Ovo pravilo važi zbog medjumolekulskih sila koje su jače nego kod bilo kog čvrstog tela i slabije od bilo kog gasa, u odnosu na isti kod tečnosti.
Is toga proizilaze i neke osnovne osobine tečnosti, kao što su, nepostojnost stalnog oblika, translatorno kretanje molekula tečnosti od sudara do sudara, njena nestišljivost i nepostojanje unutrašnjeg trenja.
Takodje važno je napomenuti da te osobine stvaraju različite posledice, primer posledica koje nastaju dejstvom medjumolekulskih sila, je sigurno pojava površinskog napona.

1. FLUIDI

Fluid prestavalja stanje materije u kome ona može da teče i menja oblik i zapreminu pod dejstvom veoma slabih sila. Takodje on prestavlja i neprekidnu sredinu, kontinijum. Hipotezu o neprekidnosti fluidne sredine postavio je Dalamber 1744. godine.
I fluid se u Hidraulici posmatra kao neprekidna sredina koja ispunjava prostor bez ikakvih šupljina, tj. kao kontinuum. Zanemaruje se molekularni sastav materije i smatra da se tečnosti i gasovi sastoje iz delića koji sadrže vrlo veliki broj molekula.
Pod delićem se podrazumeva elementarna količina tečnosti ili gasa čiji oblik ne igra ulogu ni pri mirovanju ni pri kretanju. Zato delić može da se zamisli kao sasvim mala kocka, lopta, valjak, tetraedar ili bilo koje drugo geometrijsko telo. Delić je potpuno ispunjen materijom i ima uvek istu masu. Masa dm delića fluida ne menja se za vreme kretanja ili mirovanja ali se oblik i zapremina delića mogu menjati u toku vremena.
U prostoru koji fluid zauzima raspored delića fluida je takav da se ne javljaju praznine. Dimenzije delića ne smeju se poistovetiti sa molekulom. Pretpostavka o neprekidnom ispunjavanju prostora omogućava primenu diferencijalnog i integralnog računa u Hidraulici, čime su matematički obuhvaćeni i rešeni mnogi problemi. Delići tečnosti su veoma pokretljivi. Pokretljivost delića gasova je još veća. Zbog ove pokretljivosti na tečnost ne mogu da deluju koncentrisane sile već samo sile neprekidno raspoređene po čitavoj masi ili površini tečnosti.

1.1 Sile koje deluju na fluid

Posmatra se zapremina V fluida ispunjena masom m. Ako fluid miruje, na ovu masu deluje Zemljina teža i pritisne sile okolnog fluida. Ako se fluid kreće, deluju još i sile inercije i sile trenja. Sila Zemljine teže (zapreminska sila) deluje na svaki delić fluida u posmatranoj zapremini, a time i na ukupnu masu m. Zapreminske sile su posledica polja sila u kome se fluid nalazi, pa se nazivaju još spoljašnjim ili silama polja. Zapreminske sile se računaju u odnosu na jedinicu mase fluida. Ako je sila f koja deluje na jedinicu mase, onda na elementarnu masu dm delića fluida deluje zapreminska sila.
f dm, f{X,Y, Z}

Zapremina V fluida podeliće se na delove 1 i 2. Uticaj dela 2 na deo 1 može da se zameni malom silom ΔR koja deluje na proizvoljno izabranu površinicu ΔA Na svaki drugi deo ΔA površi A delovaće neka sila ΔR pri čemu ove sile nisu međusobno jednake.
Površinska sila može se razložiti na komponentu ΔN normalnu na površinicu i na komponentu ΔT koja leži u ravni površinice.

normalni tangentni

Kod fluida od normalnih napona može da postoji samo pritisak p (napon na istezanje bi vrlo lako razdvojio deliće fluida).

2. POVRŠINSKI NAPON

Molekul u unutrašnjosti tečnosti (vidi sliku) okružen je sa svih strana istim takvim molekulima tako da je rezultujuća sila međumolekulskog privlačenja nula. Molekul u unutrašnjosti tecnosti

Molekul na površini tečnosti okružen je s jedne strane istim takvim molekulima tečnosti, a s druge strane molekulima gasa (vazduha). Pošto se u jedinici zapremine gasne faze nalazi znatno manji broj molekula nego u istoj zapremini tečne faze, međumolekulska privlačenja neće biti uravnotežena, već će postojati rezultujuća sila usmerena ka unutrašnjosti tečnosti. Ovo nesimetrično polje sila oko molekula na površini dovodi do pojave površinskog napona, σ, koji predstavlja silu koja deluje tangencijalno na površinu tečnosti, [N/m].
Površinski napon se javlja kao posledica postojanja kohezionog (unutrašnjeg) pritiska, tj. sile koja povlači molekule ka unutrašnjosti tečnosti i čiji je pravac normalan na površinu tečnosti. Zahvaljujući tome tečnost teži da smanji površinu na minimalnu pri datim uslovima. Zato tečnost u odsustvu spoljnih sila teži da zauzme oblik lopte (kapi tečnosti), jer je površina lopte najmanja površina za datu zapreminu, pa će površinska energija sistema pri tome biti minimalna. Da bi se povećala površina tečnosti neophodno je da se utroši rad da se molekuli iz unutrašnjosti tečnosti dovedu na površinu. Rad se troši na savladavanje međumolekulskih sila pri prelaženju molekula iz unutrašnjosti tečnosti na površinu. Rad izvršen za stvaranje jedinice površine, pri povratnom izotermskom procesu, pre-dstavlja površinsku slobodnu energiju. Površinska slobodna energija u J/m2 brojno je jednaka površinskom naponu u N/m u slučaju jednokomponentnih tečnosti.

Površinski napon tečnosti zavisi od intenziteta međumolekulskih sila privlačenja unutar tečnosti. Tako je površinski napon tečnosti, čiji molekuli ne poseduju dipole relativno mali i iznosi
oko 30×10−3 N/m. Voda čiji molekuli predstavljaju izrazite dipole ima relativno veliki površinski napon koji na 20°C iznosi 72,75×10−3 N/m (tabela 1).

Sa porastom temperature površinski napon tečnosti opada (tabela 2) sve do temperature bliske kritičnoj. Na kritičnoj temperaturi nestaju razlike između gasne i tečne faze i površinski napon postaje jednak nuli.
Smanjenje površinskog napona sa porastom temperature se odigrava zato što na višim temperaturama dolazi do povećanja intenziteta toplotnog kretanja molekula, što deluje na smanjenje sila privlačenja između njih, pa prema tome i do sniženja površinskog napona.

2.1 Površinski napon na granici tečnosti-tečnost

Za tečnosti koje se ne mešaju i koje se ograničeno rastvaraju jedna u drugoj važi pravilo Antonova- površinski napon na graničnoj površini izmedju tečnosti A i B je približno jednak razlici površinskih napona, uzajamno zasićenih tečnosti jedne s drugom (AZ, BZ), na granici s vazduhom:

(tabela 1)

U tabeli (3) dati su površinski naponi na graničnoj površini dva sloja tečnosti koje su uzajamno zasićene jedna s drugom, pri čemu je jedna od tečnosti voda a druga organska tečnost i površinski naponi tečnosti zasićenih jedna s drugom na granici s vazduhom. Vidi se da postoji odli-čno slaganje između izračunatih vrednosti površinskog napona na granici organska tečnost-voda po pravilu Antonova I eksperimentalno određenih vrednosti.

Međupovršinski napon opada sa porastom temperature i približava se nuli kada se temperatura približava kritičnoj temperaturi rastvorljivosti. Na nekoj temperaturi na kojoj dolazi do potpunog mešanja dve posmatrane tečnosti nestaju dve faze pa se može reći da je u takvim uslovima međupovršinski napon jednak nuli.

Površinski napon čvrstih tela, kako na granici sa gasnom tako i sa tečnom fazom ne može se direktno meriti. Za njegovo određivanje koriste se indirektne metode.

2.2 Površinski napon rastvora

- Takve materije imaju površinski napon blizak površinskom naponu rastvarača(u odnosu na vodu takva materija je npr. saharin).

Molekuli površinski aktivne supstance se orijentišu pri adsorbovanju na površini tako da im se hidrofobni deo, tj. ugljovodonični lanac orijentiše prema vazduhu, a polarna hidrofilna grupa prema vodi, što se da videti na donjoj slici.

Masa kapi tečnosti koja ističe iz kapilare je proporcionalna površinskom naponu tečnosti. Da bi se kap, koja se formira na kraju kapilare, otkinula potrebno je da se savlada površinski napon. Ukoliko je površinski napon veći potrebna je veća masa kapi da bi se savladao površinski napon i utoliko će manji broj kapi da se formira iz iste zapremine tečnosti. Dakle, masa kapi upravo je proporcionalna, a broj kapi iz određene zapremine tečnosti obrnuto proporcionalan površinskom naponu. Metodom stalagmometra površinski napon se određuje poređenjem broja kapi koji isteče iz zapremine V (zapremina proširenja A) ispitivane tečnosti sa brojem kapi iste zapremine tečnosti-etalona (najčešće destilovana voda), čiji je površinski napon poznat.
Pošto je V⋅d jednako masi ukupne zapremine tečnosti, gde je d gustina tečnosti, to će masa jedne kapi da bude jednaka V⋅d/n, gde je n broj kapi iz zapremine V. Kako je masa kapi srazmerna površinskom naponu sledi :

Isti izraz se može napisati i za destilovanu vodu, koja u ovom slučaju služi kao etalon:

pri čemu je k - konstanta koja zavisi od dimenzija i konstrukcije stalagmometra.
Deljenjem prve jednačine sa drugom jednačinom dobija se konačan izraz za određivanje površinskog napona tečnosti:

Metoda određivanja površinskog napona torzionom vagom ili tenziometrom po Di Noju (Du Noüy), zasniva na određivanju sile potrebne da se platinski prsten odvoji od površine tečnosti nasuprot delovanju površinskog napona

Torziona vaga

Torziona vaga

Površinski napon se izračunava iz izraza:

Gde je F - sila u N, R - poluprečnik platinskog prstena u m, a K - konstanta koja zavisi od dimenzija platinskog prstena, kao i od gustine i površinskog napona tečnosti

2.3 Kohezija

Kohezija (lat. cohaerere "držati se skupa") ili kohezivna privlačnost ili kohezivna sila je fizikalna osobina supstance, uzrokovana međumolekularnim privlačenjem između sličnih molekula unutar tela ili supstance koja ih nastoji ujediniti. Voda, na primer, je jako kohezivna zbog velike polarnosti koju prave hidrogenske veze u tetraedarskoj konfiguraciji. Rezultat je relativno jaka Coulombova sila (čitaj: Kulonova sila) između molekula. Van der Waalsovi plinovi kao što su metan, međutim, imaju slabu koheziju samo zbog Van der Waalsove sile koji postoje zbog nastalog polariteta u nepolarnim molekulama.
Kohezija, zajedno sa adhezijom (privlačenje između različitih molekula), pomaže u objašnjavanju fenomena kao što su površinski napon i kapilarnost.

2.4 Dodirni uglovi

Pošto nijedna tečnost ne može dugo opstati u savršenom vakuumu, površina bilo koje tečnosti i granica između te tečnosti i nekog drugog medija. gornja površina bare, na primer, je granica između vode iz bare i vazduha. Površinski napon, tada, nije osobina samo tečnosti, nego i osobina granice te tečnosti sa drugim medijem. Ako je tečnost u spremniku, tada, osim granice tečnost-gas na gornjoj površini, postoji, također, granica između tečnosti i zidova spremnika. Površinski napon između tečnosti i vazduha obično je različit (veći) od površinskog napona sa zidovima spremnika. A gde se dve površine sreću, njihova geometrija mora biti takva da se sve sile uravnoteže.

Sila u tačkama dodira prikazana za ugao dodira veći od 90° (levo) i manju od 90° (desno)

Gdje se dve površine sreću, one formiraju dodirni ugao $\scriptstyle \theta$ , koji je ugao kojeg tangenta na površinu pravi sa čvrstom površinom. Dijagram na desnoj strani prikazuje dva primera. Naponske sile su prikazane na granicama tečnost-vazduh, tečnost-čvrsto telo i čvrsto telo-vazduh. Primer levo prikazuje slučaj kada je razlika između površinskog napona tečnost-čvrsto telo i čvrsto telo-vazduh, $\scriptstyle \gamma_{\mathrm{ls}} - \gamma_{\mathrm{sa}}$ , manja od površinskog napona tečnost-vazduh, $\scriptstyle \gamma_{\mathrm{la}}$ , ali je i pored toga pozitivna, to jest

Na dijagramu, i vertikalne i horizontalne sile moraju se poništitiu istoj tački. Horizontalna komponenta od $\scriptstyle f_\mathrm{la}$ se poništi sa adhezivnom silom, $\scriptstyle f_\mathrm{A}$ :

Vertikalna komponenta od $\scriptstyle f_\mathrm{la}$ mora poništiti silu, $\scriptstyle f_\mathrm{ls}$ :
$f_\mathrm{ls} - f_\mathrm{sa}\ =\ -f_\mathrm{la} \cos \theta$

Pošto su sile direktno proporcionalne njehovim površinskim naponima (respektivno), imamo da je:

Ovo znači da je, uprkos poteškoćama u direktnom merenju razlike između površinskih napona tečnost-čvrsto telo i čvrsto telo-vazduh, $\scriptstyle \gamma_\mathrm{ls} - \gamma_\mathrm{sa}$ , moguće zaključiti koliko oni iznose pomoću merenja dodirnog ugla (koji se lako izmeri), $\scriptstyle \theta$ , ako je površinski napon tečnost-vazduh, $\scriptstyle \gamma_\mathrm{la}$ , poznat.
Isti odnos postoji i kod dijagrama na slici. Ali u ovom slučaju vidimo da je, zbog činjenice da je dodirni ugao manji od 90°, razlika površinskog napona tečnost-čvrsto telo/čvrsto telo-vazduh mora biti negativna:

2.4.1 Posebni dodirni uglovi

Uočite da je, u posebnom slučaju granice voda-srebro, gde je dodirni ugao jednak 90°, razlika površinskog napona tečnost-čvrsto telo/čvrsto telo-vazduh razlika jednaka nula.
Drugi posebni slučaj je kada je dodirni ugao 180°. Voda sa posebno pripremljenim teflonom približno ima tu vrednost dodirnog ugla. Dodirni ugao od 180° pojavljuje se kada je površinski napon tečnost-čvrsto telo tačno jednak površinskom naponu tečnost-vazduh.

3. SURFAKTANTI

Surfaktanti ili tenzidi su supstance koje snižavaju površinski napon vode u odnosu na vazduh ili u odnosu na graničnu površinu sa drugim supstancama. Reč surfaktant potiče od engleskog naziva za površinski aktivne supstance - surface acting agent. Surfaktanti se primjenjuju kao sredstva za čišćenje, a također i u tekstilnoj industriji kao sredstva za kvašenje, emulgaciju i omekšavanje.

Surfaktanti

3.1 Struktura i delovanje surfaktanata

Površinski aktivne supstance se u rastvoru raspoređuju tako da je njihova koncentracija na graničnoj površini veća od koncentracije u unutrašnjosti rastvora. To omogućava njihova struktura koja se sastoji od hidrofobnog i hidrofilnog dela molekule.
Hidrofobni deo je alifatski ugljikovodični lanac (ravan ili razgranat). Hidrofilni deo molekule ima afinitet prema vodi, a to može biti hidrofilna grupa npr. karboksilna, sulfatna, sulfonska, ortofosforna, amino grupa, sulfonamidna, itd. Pri povećanoj koncentraciji surfaktanta dolazi do formiranja submikroskopskih čestica (micele) u unutrašnjosti rastvora. Micele su građene od nekoliko stotina molkula čiji su hidrofilni delovi okrenuti prema vodi, a hidrofobni lanci prema unutrašnjosti. Ova pojava omogućava solubiizaciju dve tečnosti koje se ne mešaju, tj. prividno povećanje rastvorljivosti. Npr. emulzija vode i ulja biće stabilna u prisustvu površinski aktivne supstance.

4. WEBEROV BROJ

Weberov broj je bezdimenzionalni broj u mehanici fluida koji je često koristan u analizi strujanja fluida gde postoji granica između dva različita fluida, posebno za višefazna strujanja kod jako zakrivljenih površina. Ovaj broj može se predstaviti kao mera relativne važnosti inercije fluida u poređenju sa njegovim površinskim naponom. Ova veličina je jako korisna u analiziranju strujanja tankih slojeva i formiranja kapljica i mehurića.
Naziv je dobio po Moritzu Weberu (1871–1951), a može se pisati kao:

Gde je:

ρ gustoća fluida
v brzina fluida
l karakteristična dužina, na primjer, dijametar kapljice
σ površinski napon.

Modifikovani Weberov broj:

Jednak je meri kinetičke energije pri radu i površinske energije:

Gde je:

i

ZAKLJUČAK

Površinski napon je privlačna osobina površine tečnosti. On uzrokuje da površina dela tečnosti bude privučena do druge površine.
Primenjujući Njutnovu fiziku na sile koje nastaju zbog površinskog napona, možemo tačno predvideti mnoga ponašanja tečnosti koja su tako uobičajna da ih većina ljudi uzima zdravo za gotovo. Primenjujući zakone termodinamike na te iste sile, možemo predvideti i suptilnija ponašanja tečnosti.
Površinski napon ime dimenziju sila po jedinici dužine, ili energija po jedinici površine. Ove dve jedinice su ekvivalentne — ali kada se govori o energiji po jedinici površine, ljudi najčešće koriste termin površinska energija — koji je opštiji termin u smislu da se primijenjuje, također, i na čvrsta tela, a ne samo na tečnosti.

LITERATURA

www.google.com
Dr Životije Topolac, Fizika, Beograd 1978.